Ngo Van Thanh, IOP 11/2011nvthanh/cours/comp/Bai_Giang_P2.02.pdf · Lập trình trên Mathematica ... chương trình Mathematica, hoặc sử dụng lệnh Clear ... nhóm biểu

Ngo Van Thanh, IOP 11/ 2011

Phần II. Tin học ứng dụng Chương 2: Sử dụng phần mềm Mathematica (LT: 10, TH:10) Cấu trúc lệnh cơ bản Xử lý đồ họa Các phương pháp tính số Lập trình trên Mathematica Các gói chương trình chuyên dụng

Website:

http://www.iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/comp/math/ Wolfram website

http://reference.wolfram.com/mathematica/guide/Mathematica.html The University of North Carolina

http://facstaff.unca.edu/mcmcclur/Mathematica/ Salisbury University

http://facultyfp.salisbury.edu/despickler/personal/ClassroomResourcesMath.asp

2.1 Cấu trúc lệnh cơ bản File văn bản : được chia thành các cell Kiểu của cell : Title, subtitle, …, text, Input (ngầm định) … Nhiều câu lệnh trên cùng một cell; gộp các cell thành một nhóm Double-Click trên nhóm celll để mở rộng hoặc đóng nhóm.

Thực hiện các câu lệnh trong cell : SHIFT+ Enter Có thể chọn nhiều Cell để chạy đồng thời. Kết quả thực hiện cho mỗi câu lệnh được ghi ra trong cell Output : Out[n], số thứ

tự n trong Out[…] tương ứng với cell Input In[n]. Tất cả kết quả tính toán được ghi lại trên bộ nhớ của máy tính cho đến khi tắt

chương trình Mathematica, hoặc sử dụng lệnh Clear[…] Sau khi sửa câu lệnh, phải chạy lại câu lệnh đó bằng “SHIFT+ Enter”

Quy tắc tên biến, hàm…: Phân biệt chữ hoa và chữ thường, không được dùng ký tự gạch dưới : “_” Tên Hàm được ghép nhiều từ với nhau, chữ cái đầu tiên của mỗi từ được viết hoa Vd: ListPlot[…], Solve[…], FindRoot[…]

Quy tắc móc, ngoặc (…) , […], {…}, [[…]] (…) : nhóm biểu thức – tương tự như các ngôn ngữ lập trình khác a*(b+c)

[…] : đối số của hàm số : Sin[x]; Plot[5 x – 2,{x,1,2}]

{…} : tập hợp các phần tử; nhóm các câu lệnh; mảng/ma trận… {1,2,3}; {a1 x+b1 y==0, a2 x+b2 y==0}

[[…]] : chỉ số mảng : a[[1]]; b[[1]][[2]]

Toán tử:

Hằng số: Pi hoặc π ~ 3.14159 E : cơ số e ~ 2.71828 EulerGamma : hằng số Euler γ ~ 0.577216 Degree : radian của 1 độ = π/180

Phép toán Ký hiệu TT. Quan hệ Ký hiệu TT. Logic Ký hiệu

Cộng + EQ == NOT !

Trừ - NEQ != AND &&

Nhân * or “space” GT > OR ||

Chia / GEQ >=

Luỹ thừa ^ LT <

LEQ >=

Hàm số cơ bản:

Sin[x] Exp[x] KroneckerDelta[a,b]

Cos[x] Log[x] DiracDelta[a,b]

Tan[x] Log[x,b] HeavisideTheta[a,b]

Cot[x] Log10[x] Gamma

ArcSin[x] Abs[x] Erf

ArcCos[x] Min[x] BesselJ

ArcTan[x] Max[x] Prime[n]

ArcCot[x] Im[z] Factorial[N] ~ N! Sinh[x] Re[z] RandomInteger[imin,imax]

Cosh[x] Conjugate[z] RandomReal[xmin,xmax]

Tanh[x] Arg[z] NormalDistribution [ µ,σ]

Coth[x] Abs[z] Mean[list]

ArcSinh[x] Plus[a,b,…] Variance[dist]

ArcCosh[x] Times[a,b,…]

ArcTanh[x] Power[a,b,…]

ArcCoth[x] Mod[a,b]

Palettes:

Vd: InputForm : {{1, 2}, {3, 4}} Palettes

2.2 Xử lý đồ họa Vẽ đồ thị theo hàm số Đồ thị hàm 1 biến : Plot[{expr1, expr1, … }, {x, xmin, xmax}, Opt1->{Values of Opt1}]

exprN : các biểu thức toán học là một hàm theo x {x, xmin, xmax} : khoảng giá trị của biến số x

Plot[x^3 + 3 x^2 + x - 9, {x, -4, 3}]

4 3 2 1 1 2 3

30

20

10

10

20

Export đồ thị ra file Nên chọn EPS hoặc WMF

Chọn hình vẽ Click chuột phải -> “Save Graphics As” Chọn EPS -> Save

Export đồ thị ra file

Copy trực tiếp sang Winword hoặc PowerPoint Chọn hình vẽ Vào menu “Edit” -> “Copy As” -> Chọn “Metafile”

Trên Winword hoặc PowerPoint nhấn Ctrl + v

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

Options : AxesLabel -> {“x_label”, “y_label”} Plot[x^3 + 3 x^2 + x - 9, {x, -4, 3}, AxesLabel -> {“x”, “y”}]

4 3 2 1 1 2 3x

30

20

10

10

20

y

PlotLabel -> {“plot label”} Plot[x^3 + 3 x^2 + x - 9, {x, -4, 3}, PlotLabel -> f[x]]

LabelStyle -> {FontFamily -> "Times", FontSize -> 18} Plot[x^3 + 3 x^2 + x - 9, {x, -4, 3}, PlotLabel -> f[x], AxesLabel -> {Style[“x”,Italic], “y”} LabelStyle -> {FontFamily -> "Times", FontSize -> 16}]

AxesOrigin -> {xO, yO} Plot[x^3 + 3 x^2 + x - 9, {x, -4, 3}, AxesOrigin -> {-4, -30}]

3 2 1 0 1 2 3

20

10

0

10

20

4 3 2 1 1 2 3

30

20

10

10

20

Mesh -> 30; MeshStyle -> {Red,PointSize[Medium]} Plot[x^3 + 3 x^2 + x - 9, {x, -4, 3}, Mesh -> 20, MeshStyle -> {Red, PointSize[Medium]]

4 3 2 1 1 2 3

30

20

10

10

20

PlotRange -> {Full, Automatic} hoặc {{xmin, xmax},{ymin, ymax}}

Plot[Exp[x^2] + x -4, {x, 0, 2}, PlotRange -> {0, 50}]

0.5 1.0 1.5 2.0

5

10

15

20

25

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

10

20

30

40

50

Ticks -> None / {t1, t2, t3, …}

Plot[Sin[x], {x, 0, 10} ,Ticks -> None]

Plot[Sin[x], {x,0,10}, Ticks -> {{0,Pi,2 Pi,3 Pi},{-1,1}}]

2 3

1

1

AspectRatio -> Automatic hoặc y/x

Plot[Sin[x], {x, 0, 10}, AspectRatio -> 1/2] Plot[Sin[x], {x, 0, 10}, AspectRatio -> 2/1]

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

Epilog -> {obj1, obj2,… } : phía trước hình Prolog -> {obj1, obj2,… } : phía sau hình Plot[Sin[x],{x, 0, 10}, Epilog -> { {Dashed, Blue, Line[{{Pi/2,Sin[Pi/2]}, {Pi/2,0}}]}, Text[Sin[x], {Pi,0.5}]}]

Drawing Tools

Drawing Tools : chỉ dùng cho đồ thị 2 chiều

Vẽ nhiều hàm trên một đồ thị Plot[{Sin[x], Sin[2 x]},{x, 0, 10}, PlotStyle -> {Red,{Blue, Dashed}}]

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

Show[graph1,graph2, … , Options -> Values] vd. Hàm

1 2 3 4 5 6

1.0

0.5

0.5

1.0

Đồ thị 3 chiều Plot3D[{exprs.}, {x, xmin, xmax}, {y, ymin, ymax}, Opt1 -> {Values of Opt1}] Plot3D[Sin[2 x + y^2], {x, -3, 3}, {y, -2, 2}]

BoxRatios -> {x, y, z}

Plot3D[Sin[2 x + y^2], {x, -3, 3}, {y, -2, 2}, BoxRatios -> {1, 1, 1/2}]

ColorFunction -> (White &)

Plot3D[Sin[2 x + y^2], {x, -3, 3}, {y, -2, 2}, ColorFunction -> (White)]

MeshShading -> {{None, None}} MeshStyle -> Thick

Plot3D[Sin[x + y], {x, -3, 3}, {y, -2, 2}, MeshShading -> {{None, None}}, MeshStyle -> Thick]

2

0

22

1

0

1

2

1.0

0.5

0.0

0.5

1.0

Vẽ đồ thị các điểm từ bảng dữ liệu ListPlot[{list1, list2}, Opts -> Options] List : {{x1, y1}, {x2, y2}, … }

ListPlot[Table[{n, Sin[n]},{n, 0, 10, 0.5}]] Table[{n, Sin[n]},{n, 0, 10, 0.5}]

{{0.,0.}, {0.5, 0.479426}, {1., 0.841471}, {1.5, 0.997495}, {2., 0.909297}, {2.5, 0.598472}, {3., 0.14112}, {3.5, -0.350783}, {4., -0.756802}, {4.5, -0.97753}, {5., -0.958924}, {5.5, -0.70554}, {6., -0.279415}, {6.5, 0.21512}, {7., 0.656987}, {7.5, 0.938}, {8.,0.989358}, {8.5, 0.798487}, {9., 0.412118}, {9.5, -0.0751511}, {10., -0.544021}}

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

Joined -> True ; Mesh -> Full; ListPlot[Table[{n, Sin[n]},{n, 0, 10, 0.5}], Joined -> True, Mesh -> Full]

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

MeshStyle -> {PointSize[Large], Red} PlotStyle -> {Thick, Green} ListPlot[Table[{n, Sin[n]},{n, 0, 10, 0.5}], Joined -> True, Mesh -> Full, PlotStyle -> {Thick, Green}, MeshStyle -> {PointSize[Large], Red}]

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

InterpolationOrder -> 3 ListPlot[Table[{n, Sin[n]},{n, 0, 10, 0.5}], Joined -> True, Mesh -> Full, InterpolationOrder -> 3]

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

Đọc từ file dữ liệu Import[“file","Table"] li1 = Import[“D:/math/data.dat","Table"] {{0.,0.},{0.5,0.479426},{1.,0.841471},{1.5,0.997495}, {2.,0.909297},{2.5,0.598472},{3.,0.14112}, {3.5,-0.350783},{4.,-0.756802},{4.5,-0.97753}, {5.,-0.958924},{5.5,-0.70554},{6.,-0.279415}, {6.5,0.21512},{7.,0.656987},{7.5,0.938},{8.,0.989358}, {8.5,0.798487},{9.,0.412118},{9.5,-0.0751511}, {10.,-0.544021}}

Vẽ đồ thị các đoạn thẳng từ bảng dữ liệu ListLinePlot[{list1, list2}, Opts -> Options]

ListLinePlot[{l1,l2}, Mesh -> Full, PlotMarkers -> Automatic, InterpolationOrder -> 2] ListPlot[{l1,l2}, Mesh -> Full, PlotMarkers -> Automatic, Joined -> True, InterpolationOrder -> 2]

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

2 4 6 8 10

1.0

0.5

0.5

1.0

Các loại đồ thị khác: ListPlot3D[{list1, list2}, Opts -> Options] List : {{x1, y1, z1}, {x2, y2, z2}, … }

data = Table[Sin[j^2+i],{i,0,Pi,Pi/5},{j,0,Pi,Pi/5}]; ListPlot3D[data, InterpolationOrder -> 3]

ListPointPlot3D[{list1, list2}, Opts -> Options] List : {{x1, y1, z1}, {x2, y2, z2}, … }

data = Table[Sin[j^2+i],{i,0,Pi,0.1},{j,0,Pi,0.1}]; ListPointPlot3D[data]

10

20

30

10

20

30

1.00.50.0

0.5

1.0

DensityPlot[f, {x, xmin, xmax},{y, ymin, ymax}]

Giá trị càng lớn thì có màu càng sáng ListDensityPlot[{{x1, y1, f1},{x2, y2, f2}, …}] DensityPlot3D[…] và ListDensityPlot3D[…] DensityPlot[Sin[x]Sin[y],{x,-4,4},{y,-3,3}]

Plot3D[Sin[x]Sin[y],{x,-4,4},{y,-3,3}]

ContourPlot[f, {x, xmin, xmax},{y, ymin, ymax}] ContourPlot[{{f1 == g1},{f2 == g2}},{x,xmin,xmax},{y,ymin,ymax}] Giá trị càng lớn thì có màu càng sáng ListContourPlot[{{x1, y1, f1},{x2, y2, f2}, …}] ContourPlot[Sin[x]Sin[y],{x,-4,4},{y,-3,3}]

ContourPlot[Sin[x]Sin[y]==0.5,{x,-4,4},{y,-3,3}]

Plot3D[Sin[x]Sin[y],{x,-4,4},{y,-3,3},PlotRange->{0,0.5}, ClippingStyle->None, BoundaryStyle->{Thick,Blue}]

4 2 0 2 43

2

1

0

1

2

3

VectorPlot[{vx, vy}, {x, xmin, xmax},{y, ymin, ymax}] VectorPlot3D[{vx,vy,vz},{x,xmin,xmax},{y,ymin,ymax},{z,zmin,zmax}] ListVectorPlot[{{{x1, y1},{vx1, vy1}},… }] ListVectorPlot3D[{{{x1, y1, z1},{vx1, vy1, vz1}},… }]

VectorPlot[{x,-y},{x,-3,3}, {y,-3,3}]

3 2 1 0 1 2 3

3

2

1

0

1

2

3

StreamPlot[{vx, vy}, {x, xmin, xmax},{y, ymin, ymax}] ListStreamPlot[{{{x1, y1},{vx1, vy1}},… }]

StreamPlot[{x,-y},{x,-3,3},{y,-3,3}]

3 2 1 0 1 2 3

3

2

1

0

1

2

3

2.3 Các phương pháp tính số Tính toán trên các biểu thức Phép gán f = a x^2 + b x + c hoặc f = a x2 + b x + c f (x + d) --> kết quả : (d + x) (c + b x + a x2) Tính số (1/2) Sin[20] x --> kết quả : (1/2) Sin[20] x//N --> kết quả : 0.456473 x N[(1/2) Sin[20] x, 8] --> kết quả : 0.45647263 x Các số hạng trong biểu thức (x+y+z)[[2]] --> kết quả : y (x+y+z)[[-1]] --> kết quả : z f[g[a],g[b]][[1]] --> kết quả : g[a] f[g[a],g[b]][[1,1]] --> kết quả : a ReplacePart[a+b+c+d , 3 -> x^2] --> kết quả : a+b+x2+d

Khai triển biểu thức : Expand/ExpandAll

f = (1+x)^3 + Sin[(1+x)^3]

Expand[f]

ExpandAll[f]

Biểu thức lượng giác: TrigExpand[Sin[x+y]] --> Sin[x] Cos[y] + Cos[x] Sin[y] Số phức : ComplexExpand[Sin[x],x] --> Cosh[Im[x]] Sin[Re[x]] + i Cos[Re[x]] Sinh[Im[x]]

Đơn giản hoá : Simplify/FullSimplify f = 1 + 3 x + 3 x^2 + x^3 + Sin[1 + 3 x + 3 x^2 + x^3]

Simplify[f] -->

Phân tích thừa số : Factor[] Factor[1 + 2x + x^2] --> (1 + x)2 Extension Factor[2+2Sqrt[2]x+x^2] --> Factor[2+2Sqrt[2]x+x^2, Extension -> Sqrt[2]]

Biểu thức lượng giác: Factor[Sin[x]^2+Tan[x]^2, Trig -> True]

TrigFactor[Sin[x]^2+Tan[x]^2]

Đạo hàm riêng D[f, {x, n}] : n là bậc của đạo hàm D[f, {x, nx},{y, ny},…] : đạo hàm nhiều biến D[Sin[x]/(a + x^2),x] D[Sin[x]/(a + x^2),{x,2}] NonConstants D[ a x^2, x, NonConstants -> {a}]

--> 2 a x + x2 D[a, x, NonConstants -> {a}]

Đạo hàm toàn phần Dt[f, {x, n}] : n là bậc của đạo hàm Dt[f, {x, nx},{y, ny},…] : đạo hàm nhiều biến

Dt[ a x + b,x] --> a + x Dt[a,x] + Dt[b,x]

Dt[x^2 y, x, y] --> 2 x + 2y Dt[x,y] + 2x Dt[x,y] Dt[y,x] Constants Dt[ a x + b, x, Constants -> {b}]

--> a + x Dt[a, x, Constants ->{b}]

Derivative Sin’[x] : --> Cos[x] Derivative[1][Sin][x] Sin’’[x] : --> -Sin[x] Derivative[2][Sin][x] Derivative[n1, n2,…][f] f[x_, y_] := Sin[x] Cos[y];

Derivative[1, 2][f][x, y] --> -Cos[x] Cos[y]

Giới hạn (Limit) Limit[expr., x -> x0] Limit[expr., x -> x0, Direction -> 1] Limit[expr., x -> x0, Direction -> -1]

Limit[(1 + x/n)^n, n -> Infinity] --> ex

Direction Limit[Tan[x], x -> Pi/2, Direction -> 1] --> ∞

Limit[Tan[x], x -> Pi/2, Direction -> -1] --> − ∞

Assumptions Limit[ x^a,x ->Infinity, Assumptions -> a < 0] --> 0

Limit[ x^a,x ->Infinity, Assumptions -> a > 0] --> ∞

Tích Phân (Integrate) Integrate[f, x] Integrate[f, {x, xmin, xmax},{y, ymin, ymax},…] Integrate[1/(x^3+1),x] -->

Integrate[1/(x^3+1),{x,0,1}] PrincipalValue

Phương pháp Riemann Integrate[Tan[x],{x,0,Pi}] --> Không hội tụ

Phương pháp Cauchy Integrate[Tan[x],{x,0,Pi}, PrincipalValue -> True]

Tích Phân số (NIntegrate) NIntegrate[f, {x, xmin, xmax}] NIntegrate[f, {x, xmin, xmax},{y, ymin, ymax},…]

NIntegrate[1/(x^3+1), {x, 0, 1}] --> 0.835649

Integrate[1/(x^3 + 1), {x, 0, 1}] //Timing --> ??s NIntegrate[1/(x^3 + 1),{x, 0, 1}] //Timing --> ??s

Cận tích phân không phải là hằng số

NIntegrate[Sin[5x y+y^2] + 1,{x, -1, 1}, {y,-Sqrt[1-x^2], Sqrt[1-x^2]}]

NIntegrate[Sin[5x y+y^2] + 1,{y,-Sqrt[1-x^2], Sqrt[1-x^2]} ,{x, -1, 1}]

Exclusions NIntegrate[1/Sqrt[x2+y],{x,-2,4},{y,-2,4}] NIntegrate[1/Sqrt[x2+y],{x,-2,4},{y,-2,4}, Exclusions -> (x2 + y == 0)]

Số vòng lặp đệ quy (Recursive) • MinRecursion -> 0 • MaxRecursion -> Automatic NIntegrate[Exp[-100(x2+y2)],{x,-50,60},{y,-50,60}] --> 0.0 NIntegrate[Exp[-100(x2+y2)],{x,-50,60},{y,-50,60}, MinRecursion -> 4] --> 0.0314159

Method NIntegrate[1/Sqrt[x2+y],{x,-2,4},{y,-2,4}, Method -> "MonteCarlo"]

Tổng (Tích) Sum/NSum (Product/NProduct) Sum[f, {i, imax}] Sum[f, {i, imin, imax},{j, jmin, jmax ,dj},…] Sum[i^2,{i,1,n}] --> Sum[i^3,i] -->

NSum[f, {i, imax, imax}] NSum[f, {i, imin, imax,di}] NSum[1/((k-20)^2+1),{k,0,∞}] --> 3.09286 NSumTerms (NProductFactors) -> 15 NSum[1/((k-20)^2+1),{k,0,∞}, NSumTerms -> 30] --> 3.10462

Khai triển chuỗi luỹ thừa

Series[f, {x, x0, n}] Series[f, {x, x0, nx},{y, y0, ny},…]

Series[ Cos[x]/x,{x,0,10}] --> Normal[%] -->

Assumptions Series[ArcCos[x],{x,1,1},Assumptions->(x > 1)] Series[ArcCos[x],{x,1,1}]

Hệ số của số hạng bậc n trong chuỗi luỹ thừa SeriesCoefficient[f, {x, x0, n}] SeriesCoefficient[f, {x, x0, nx},{y, y0, ny},…] Series[ Cos[x]/x,{x,0,10}] SeriesCoefficient[ Cos[x]/x,{x,0,9}] -->

SeriesCoefficient[Cos[x]/x,{x,0,8}] --> ???

SeriesCoefficient[ Exp[-x],{x, 0, n}] -->

Assumptions

SeriesCoefficient[ Exp[-x],{x, 0, n}, Assumptions -> (n ≥ 0)]

Khai triển chuỗi Fourier FourierSeries[f, x, n}] FourierSeries[f, {x1, x2 , …},{n1, n2, …}]

với

FourierSeries[t/2, t, 3] FourierParameters

{1,1}

{1,-2π}

{a, b}

Hệ số của số hạng bậc n trong chuỗi Fourier FourierCoefficient[f, x, n}] FourierCoefficient[f, {x1, x2 , …},{n1, n2, …}]

FourierSeries[t/2, t, 3]

FourierCoefficient[t/2, t, 2] -->

FourierCoefficient[t/2, t, 3] --> ???

FourierParameters

{1,1} -->

{1,-2π} -->

{a, b} -->

Giải phương trình /hệ phương trình - (bất phương trình) Solve[expr., vars, domain] domain : Reals, Integers, Complexes

sol = Solve[a x2 + b x + c == 0, x]

sol[[2]] -->

x/.sol[[2]] -->

Hệ phương trình Solve[{expr1., expr1.,…}, {var1, var2, …}] Solve[{3x + 8y == 5, 5x + 2y == 7},{x,y}]

sol2 = Solve[{x2 + y2 == 1, x + y == a}, {x, y}]

sol2[[1]] --> ??? x/.sol2[[2]] --> ??? x/.sol2[[2, 1]] --> ???

Cách viết khác khi expr. có nhiều biểu thức logic

Solve[x2 + y2 == 1 && x + y == a, {x, y}]

sol3 = Solve[{2x+3y == 4,3x-4y ≤ 5,x-2y > -21} ,{x,y},Integers]

x/.sol3 --> ???

Giải số các phương trình NSolve[expr., vars, domain] domain : Reals

sol = NSolve[x^3 - 2x + 3 == 0,x]

sol = NSolve[x^3 - 2x + 3 == 0,x,Reals] --> ???

NSolve[x^2+y^2==1 && x^4+y^4==2 && Element[x,Reals],{x,y}] --> x : Reals ; y : Complex FindRoot[{f1, f2}, {{x,x0},{y,y0}}] FindRoot[f, {x, x0}] --> Phương pháp Newton FindRoot[f, {x, x0, x1}] --> Phương pháp Secant FindRoot[f, {x, x0, xmin, xmax}]

Kết thúc tính toán khi giá trị x vượt ra ngoài khoảng

Plot[Sin[x]+Exp[x],{x,-10,1}]

FindRoot[Sin[x]+Exp[x]==0, {x,10}] --> {x -> -0.588533}

FindRoot[Sin[x]+Exp[x]==0, {x,-10}] --> {x -> -9.4247}

FindRoot[Sin[x]+Exp[x]==0, {x,-3,-4,-2}]

--> {x -> -3.09636}

10 8 6 4 21

1

2

3

ContourPlot[{x == 2y + 3Cos[x],y == x-4},

{x,0,15},{y,-5,15}, Frame -> False, Axes -> True,

LabelStyle -> Large, ContourStyle -> Thick]

FindRoot[{x == 2y + 3 Cos[x],y == x-4},{x,6},{y,2}]

--> {x -> 5.6256, y -> 1.6256}

2 4 6 8 10 12 14

5

5

10

15

Giải phương trình (hệ pt) vi phân DSolve[eqn., y, x] DSolve[{eqn1.,eqn2,…}, {y1,y2,…}, x] DSolve[eqn., y, {x1,x2,…}]

DSolve[y'[x] + y[x] == a Sin[x], y[x], x]

Phương trình vi phân có điều kiện biên

DSolve[{y'[x] + y[x] == a Sin[x], y[0]==0}, y[x], x]

Phương trình vi phân bậc 2

DSolve[y''[x] + 4y'[x] + 5y[x] == 0, y[x],x]

Phương trình vi phân phi tuyến DSolve[ y'[x] + x y'[x]^2 == 1, y[x], x]

Hệ phương trình vi phân DSolve[{y'[x]== x^2y[x],z'[x]==5z[x]}, {y[x],z[x]},x]

Hệ phương trình vi phân có điều kiện biên DSolve[{y'[x]-4z[x]==Cos[x], y[x]+z[x]==1/2, y[Pi/2]==1/2},{y[x],z[x]},x]

Đạo hàm riêng

DSolve[3D[y[x1,x2],x1]+5D[y[x1,x2],x2]==x1 , y[x1,x2],{x1,x2}]

Đạo hàm riêng bậc 2

DSolve[3D[y[x1,x2],{x1,2}]-12D[y[x1,x2],{x2,2}]==1, y[x1,x2],{x1,x2}]

Đạo hàm riêng có điều kiện đầu DSolve[{2D[y[x1,x2],x1] + 7D[y[x1,x2],x2]==3, y[x1,0]==x1},y[x1,x2],{x1, x2}]

Giải số phương trình (hệ pt) vi phân NDSolve[eqns., y, {x,xmin,xmax}] NDSolve[eqns., y, {x,xmin,xmax},{t,tmin,tmax}] NDSolve[eqns., {y1,y2}, {x,xmin,xmax}]

Bắt buộc phải có điều kiện đầu hoặc điều kiện biên

nsol = NDSolve[{y'[x]-y[x]Cos[x+y[x]]==0,y[0]==1} ,y,{x,0,30}]

y -> InterpolatingFunction[{{0.,30.}},<>] Plot[y[x]/.nsol,{x,0,30}, PlotRange->All, LabelStyle->Large, PlotStyle->Thick] Plot[y[x]/.nsol,{x,-10,10}] --> ??? 5 10 15 20 25 30

0.20.40.60.81.0

Phương trình vi phân bậc 2 NDSolve[{y''[x]+y[x]==0,y[0]==1,y'[0]==0},y,{x,10}]

Hệ phương trình vi phân NDSolve[{x'[t]==y[t], y'[t]==-x[t], x[0]==1,y[0]==0}, {x, y},{t,0,10}] x -> InterpolatingFunction[{{0.,10.}},<>] y -> InterpolatingFunction[{{0.,10.}},<>] Plot[???] Plot[???]

Phương trình đạo hàm riêng

điều kiện biên: dsol = NDSolve[{D[u[t,x], t] == 0.5 D[u[t,x],x,x]+ u[t,x]D[u[t,x],x], u[t,-Pi] == u[t, Pi]==0, u[0,x] == Sin[x]}, u, {t,0,2},{x,-Pi, Pi}]

u -> InterpolatingFunction[{{0.,2.},{-3.14,3.14}},<>]

Plot3D[???]

Vector – Ma trận Vector/mảng 1 chiều : v = {x, y, z} v[[2]] = ??? ; v + a = ???

v1={x1,y1,z1}; v2={x2,y2,z2}; v1*v2 --> {x1 x2,y1 y2,z1 z2} Mảng 2 chiều/Ma trận : m = {{x1, y1},{x2,y2}} MatrixForm m//MatrixForm m[[2,1]] = ???

Tích vô hướng a*b -->

Tích vector a.b -->

Table Table[expr., {i,imax}] Table[expr., {i,imin,imax}] Table[expr., {i,imin,imax, di}] Table[expr., {i,imin,imax},{j,jmin,jmax}]

Table[i^2, {i,10}] --> {1,4,9,16,25,36,49,64,81,100} Table[i+2 j,{i,4},{j,3}]//MatrixForm

Table[ai,j,{i,2},{j,2}]//MatrixForm

Array Array[f, n] --> f[i] Array[f, {n1,n2}] --> f[i,j] Array[f,{3,2}] {{f[1,1],f[1,2]},{f[2,1],f[2,2]},{f[3,1],f[3,2]}} Table[???] Array[b##&, {3,3}] Table[???]

Các hàm liên quan đến ma trận Dimensions[] --> kích thước của một ma trận

Dimensions[A] --> {3,3} ; Dimensions[B] --> {?,?} Inverse --> Nghịch đảo ma trận Inverse[A] --> A-1

Det --> Định thức Det[A] --> 21

Tr[list] --> Vết của một ma trận Tr[A] --> 13

Tr[list, f] --> Vết của ma trận tác dụng bởi hàm f Tr[A,Times] --> ??? Tr[A,List] --> {1,5,7}

MatrixPower[m, n] --> Luỹ thừa bậc n của ma trận m

MatrixPower[A, 2] -->

Transpose[m] --> Ma trận chuyển vị

Transpose[A] -->

Eigenvalues[m] --> liệt kê trị riêng của ma trận Eigenvalues[m] {0.656382, 0.0181093, 0.000509145}

Eigenvalues[m, k] --> chỉ in ra k trị riêng của ma trận Eigenvalues[m, 2] --> {0.656382, 0.0181093} Eigenvalues[m, -2] --> ??? Eigenvectors[m] --> liệt kê vector riêng của ma trận

Eigenvectors[m, k] --> chỉ in ra k vector riêng của ma trận Eigenvectors[m, 2] -->

Eigensystem[m] --> liệt kê trị riêng và vector riêng của ma trận Eigensystem[m]

Trị riêng : Eigensystem[m][[1]]

{0.656382, 0.0181093, 0.000509145}

Vector riêng : Eigensystem[m][[2]]

Eigensystem[m, k] --> liệt kê k trị riêng và k vector riêng của ma trận Eigensystem[m, 1]

{{0.656382},{{-0.703526,-0.549364,-0.450832}}}

DiagonalMatrix[list] Tạo ma trận với các phần tử của list sắp xếp trên đường chéo

DiagonalMatrix[{a,b,c}] -->

DiagonalMatrix[list,k]

Tạo ma trận với các phần tử của list sắp xếp trên đường chéo thứ k DiagonalMatrix[{a,b,c},2]

IdentityMatrix[n] --> Ma trận đơn vị bậc n

IdentityMatrix[4] -->

2.4 Lập trình trên Mathematica Định nghĩa hàm f[x_,y_,…]:=(exprs.) x, y : đối số hình thức exprs. : liệt kê các biểu thức, các câu lệnh của Mathematica.

f[x_]:= Sin[x] + Cos[x] f[a] --> f[Pi] --> ??? f[x]*Sin[x] --> f[a_,b_]:= x/.Solve[a x^4+ b x == 0,x]

f[1,1] -->

{-1., 0., 0.5+ i 0.866025, 0.5- i 0.866025} f[a_,b_,c_]:= x/.Solve[a x^2 + b x + c == 0,x] f[0] --> ??? f[0,1] --> ??? f[0,1,1] --> ???

Biến cục bộ f[x_,y_,…]:=Module[{u,v,…},expr1;expr2;…] u, v : biến cục bộ exprs. : liệt kê các biểu thức, các câu lệnh của Mathematica.

g[a_]:= Module[{b}, b = Sin[a]*Cos[a]; a2 b] g[x] --> g[b] --> ??? SetOptions

SetOptions[function, option->value,…]

Plot[Sin[x],{x,0,30}, PlotRange->All, LabelStyle->Large, PlotStyle->Thick]

SetOptions[Plot,PlotRange->All, LabelStyle->Large, PlotStyle->Thick]

Plot[Sin[x],{x,0,30}]; Plot[Cos[x],{x,0,30}]…

Cấu trúc lặp Do[expr, {i,imax] Do[expr, {i,imin,imax,di]

t = 2; Do[t = t^2; Print[t] ,{3}] --> {4, 16, 256} t = 2; Do[Print[t]; t = t^2 ,{3}] --> ???

For[start, test, incr, body]

t = 2; For[i=1, i<4, i++, t = t^2; Print[t]] --> {4, 16, 256}

While[test, body]

t = 2; i = 1; While[i<4, t = t^2; Print[t];i++]

Nest[f, expr, n] Nest[(#^2)&, 2, 3] --> 256 Module[{x = 2}, Nest[(#^2)& , x, 3]]

Cấu trúc rẽ nhánh If[condition, T, F] If[condition, Then , Else]

f[x_]:= If[x > 0, 1, -1]

Điều kiện (Condition) f[x_/;x > 0]:= 1 <==> f[x_]:= 1/;x > 0 f[x_/;x <= 0]:= -1 <==> f[x_]:= -1/;x <= 0

Switch[expr.,form1, val1, form2, val2,…] f[x_]:= Switch[Mod[x,3], 0, a, 1, b, 2, c] f[4] --> “b” Which[test1, val1, test2, val2,…]

f[x_]:= Which[x > 0, 1, x <= 0, -1] Piecewise[val1, cond1, val2, cond2, …]

f[x_]:= Piecewise[{{1, x > 0},{-1, x < 0}}, -1] f[x_]:= Piecewise[{1, x > 0}, -1]

Các quy tắc thay thế Quy tắc thay thế -> /.{var1 -> value1, var1 -> value2,…} f[x_]:= a Sin[x] + b Cos[a x] f[t] --> f[t]/.a -> 1 --> Quy tắc thay thế :>

/.{var1 :> value1, var1 :> value2,…} list = {t,t,t,t}/.t :> RandomReal[] {0.262002,0.18452,0.695246,0.302918} Bước 1 : thay thế {t,t,t,t} --> {RandomReal[],RandomReal[],RandomReal[],RandomReal[]} Bước 2 : tính các giá trị list[[1]] = 0.262002 list[[2]] = 0.18452 …

So sánh hai quy tắc {t,t,t,t}/.t -> RandomReal[] {0.640703, 0.640703, 0.640703, 0.640703}

2.5 Các gói chương trình chuyên dụng Gọi package để sử dụng << PackageName` hoặc Get[PackageName`] Needs[“PackageName`”,“file”]

Package : VectorAnalysis: <<VectorAnalysis` SetCoordinates[system[names]] system/names : Cartesian : Xx, Yy, Zz -> x, y, z

Cylindrical: Rr, Ttheta, Zz -> r, θ, z Spherical : Rr, Ttheta, Pphi -> r, θ, ϕ Grad[f, coordsys] --> gradient Div[f, coordsys] --> divergence Curl[f, coordsys] --> curl/rot

Các toán tử dùng trong các hệ toạ độ trụ/cầu http://en.wikipedia.org/wiki/Nabla_in_cylindrical_and_spherical_coordinates

Phương pháp biến thiên hằng số: << VariationalMethods` Phương trình Euler–Lagrange : EulerEquations[f, u[x],x] ele = EulerEquations[Sqrt[1+y'[x]^2],y[x],x] DSolve[ele,y[x],x] --> VariationalD[f, u[x],x] VariationalD[Sqrt[1+y'[x]^2],y[x],x]

Thư viện: http://library.wolfram.com/ http://library.wolfram.com/infocenter/MathSource/

Physics : http://library.wolfram.com/infocenter/MathSource/Science/Physics/